无线传感器网络覆盖控制优化算法研究

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1、分类号UDCTP393博士学位论文密级无线传感器网络覆盖控制优化算法研究OptimizationAlgorithmsofCoverageControlforWirelessSensorNetworks作者姓名：邢萧飞学科专业：计算机科学与技术学院(系、所)：信息科学与工程学院指导教师：王国军教授副指导教师：李颉教授论文答辩日期垒型兰：!坌·f答辩委员会主席立生：!兰盘中南大学2012年12月原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致

2、谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过

3、网络向社会公众提供信息服务。作者签名：师签名碰日期：迎年垒月鱼日摘要无线传感器网络是一种集信息感知、采集、处理和传输为一体的网络系统，它将逻辑上的信息世界和客观上的物理世界联系在一起，正深刻地改变着人与自然的交互方式，因而被广泛地应用于军事、工业、农业、医疗和抢险救灾等领域。覆盖控制是无线传感器网络所提供服务质量的基本问题之一，其目的是利用部署的传感器节点来感知目标区域或目标对象，并达到所获取信息的有效性和完整性。覆盖控制决定了传感器网络对物理世界的感知能力，是推动传感器网络从理论走向应用的必经之路。本文研究的

4、目的是针对以随机方式部署的无线传感器网络设计具有节能特征的网络覆盖优化算法和协议。主要是从覆盖率控制模型、多属性目标覆盖、网络多重覆盖以及移动目标的动态覆盖等方面展开研究，遵循提高网络的能量利用效率的设计准则，以达到实现一个能量高效的网络覆盖控制优化方案目的。本文的主要工作包括以下四个方面：(1)针对随机分布的网络覆盖控制问题研究，提出了基于概率的网络覆盖控制模型PCCM。考虑到网络边界效应影响，模型首先计算传感器节点位于网络内部及其边界两种情况下覆盖面积的期望值，进而得到节点总覆盖面积的期望值；根据用户对覆盖

5、率的要求，依据条件概率分布函数计算得到所需要部署节点的数量。模型反映了网络覆盖率与部署节点数量、节点感知半径与监测区域面积之间的函数关系。在此基础上，依据随机图理论推导得到网络连通性的概率模型。PCCM模型可以指导用户对网络覆盖率及连通率等网络属性的控制。(2)针对异构传感器网络的多属性目标覆盖研究，利用线性规划工具将其建模为最优值覆盖集求解问题，提出了一种基于分簇结构的目标覆盖算法CTCA。其核心思想是依据节点的剩余能量的多少及感应能力的高低，在每个簇结构内求解局部最优覆盖集，然后在此基础上得到接近于最优解的

6、全局覆盖集，最后调度节点相应的感应模块去覆盖其感知范围内同属性的目标。实验结果表明所提出的算法能够有效提高网络节点的能量利用效率，延长网络生存期。(3)针对无线传感器网络多重覆盖算法研究，借助于勒洛三角形的几何特征提出判断区域覆盖度的定理，并以此为基础设计了一个基于勒洛三角形的多重覆盖算法RTC。算法的核心思想是利用节点局部位置信息，通过在节点感应圆周上构造勒洛三角形和所提出的覆盖定理来判断网络的覆盖度，并根据网络节点的剩余能量的高低进行节点状态调度。实验数据分析表明RTC算法在确保网络覆盖质量的条件下能够有效

7、减少网络中冗余节点的数量，从而提高网络能量利用效率。(4)针对移动目标的实时监测协议研究，提出了一个自适应移动目标动态覆盖协议。协议的主要思想是首先对移动目标周围的节点，利用竞争机制构造出一个动态覆盖组对目标定位与实时监测；然后利用所提出的目标移动位置预测模型及节点状态调度策略来更新该动态覆盖组，这样可以有效提高节点对目标实时监测的时效性和能量利用效率。最后，借助于节点自适应数据报告频率自调整机制而实现降低网络节点之间通信量的目的。实验数据分析表明所提出的协议在网络能量利用效率、目标定位精度等方面具有很好的性能

8、表现。综上所述，本文针对无线传感器网络的节点覆盖控制问题提出了相应的解决方案，对于推动无线传感器网络的研究和实用化具有一定的理论意义和应用价值。关键词：无线传感器网络，覆盖优化，移动目标覆盖，覆盖集，覆盖度评估，网络生命期IIABSTRACTWirelesssensornetwork(WSN)，asanintegratednetworkwhichcanperforminformatio